牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)髓內(nèi)定位誤差的有限元分析

徐成，南少奎，李海峰，張棟

(解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心骨科，北京 100048)

牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)(Oxford unicompartmental knee arthroplasty，OUKA)如今已成為治療膝關(guān)節(jié)單間室病變的有效手段，其手術(shù)適應(yīng)證包括膝關(guān)節(jié)前內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎、膝關(guān)節(jié)特發(fā)性骨壞死[1]。

牛津單髁假體是一種活動(dòng)墊片假體，特殊設(shè)計(jì)使其聚乙烯墊片的磨損極低，但也由此造成固定墊片假體沒有的并發(fā)癥——墊片脫位[2]。將股骨假體安裝在良好的位置可以明顯減少脫位等并發(fā)癥[3]。為此，牛津的學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了一種全新的MP手術(shù)器械系統(tǒng)，希望以此來(lái)獲得良好的假體植入位置[4]，即在冠狀位平面上，股骨假體的縱軸需平行于股骨力線軸，而股骨的力線軸和解剖軸(髓腔中心軸線)之間的夾角約為7°[5](見圖1～2)。據(jù)此，牛津MP器械系統(tǒng)在植入股骨假體時(shí)使用的是髓內(nèi)定位系統(tǒng)植入股骨髓腔桿來(lái)定位股骨解剖軸線，使用音叉裝置將髓腔桿與股骨鉆孔導(dǎo)向器連接，使6 mm鉆頭與髓腔桿在冠狀面上呈7°角，在矢狀面上呈10°角，這使股骨假體在冠狀面上軸線與股骨力線平行，在矢狀面上呈10°后傾。所以，髓腔桿在股骨髓腔內(nèi)的擺動(dòng)角度直接影響著股骨假體的位置。

由于個(gè)體差異，股骨髓腔寬度、形態(tài)因人而異，也與年齡、性別相關(guān)[6-7]，所以髓腔桿在股骨髓腔內(nèi)的方向并不是嚴(yán)格的股骨解剖軸。髓腔桿在股骨內(nèi)有一定范圍的擺動(dòng)，這種擺動(dòng)可能會(huì)對(duì)股骨假體位置產(chǎn)生影響。本研究利用CT數(shù)據(jù)建立股骨三維模型，對(duì)髓腔桿在股骨內(nèi)的擺動(dòng)進(jìn)行有限元分析，現(xiàn)將分析過程及結(jié)果報(bào)道如下。

圖1 髓腔桿和假體鉆孔器在冠狀面與矢狀面上呈一定夾角 圖2 股骨假體縱軸與機(jī)械軸平行，矢狀面上呈10°后傾

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇我科2019年1月至2019年10月行牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)的患者23例26膝，其中男8例(9膝)，女15例(17膝)；平均年齡為(65.9±11.1)歲；平均身高為(163.5±10.3)cm；平均身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)為(25.1±4.2)kg/m2；左膝10例，右膝10例，雙膝3例。術(shù)前使用64排螺旋CT行全股骨CT檢查。

1.2 模型建立 根據(jù)臨床常用髓腔桿數(shù)據(jù)，使用Solidworks 2016軟件建立直徑為4.2 mm、總長(zhǎng)為30 cm和20 cm兩種髓腔桿模型。將患者股骨薄層CT圖像(Dicom格式，掃描層距0.625 mm)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件中獲得股骨皮骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立髓腔中空的股骨三維模型(見圖3～4)。

利用3-Matics 13.0軟件，對(duì)股骨和髓腔桿進(jìn)行裝配。根據(jù)牛津MP操作器械系統(tǒng)推薦，沿股骨髁間窩內(nèi)側(cè)壁向前作延長(zhǎng)線，在該線上選擇距離髁間窩前內(nèi)側(cè)緣1 cm為開髓點(diǎn)置入髓腔桿(見圖5)，調(diào)整置入點(diǎn)和置入角度(見圖6)。利用Geomagics 2014軟件對(duì)股骨模型進(jìn)行優(yōu)化并擬合曲面，輸出IGES文件。將裝配、優(yōu)化后的文件，導(dǎo)入Ansys Workbench 19.1軟件，利用顯示動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行下一步分析。

圖3 使用Mimics軟件建立股骨三維模型 圖4 使用Solidworks 2016軟件建立髓腔桿模型

圖5 模擬置入髓腔桿位置 圖6 調(diào)整髓腔桿的角度使其不與股骨皮質(zhì)重合

1.3 角度測(cè)量 在Ansys Workbench 19.1軟件內(nèi)，進(jìn)行兩種髓腔桿偏移角度的測(cè)量。約束股骨皮質(zhì)表面，利用Joint運(yùn)動(dòng)副模擬髓腔桿與股骨遠(yuǎn)端接觸部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，于髓腔桿頂端分別施加18個(gè)方向應(yīng)力，每個(gè)方向之間間隔20°，當(dāng)髓腔桿與股骨內(nèi)壁接觸并停止時(shí)，獲取髓腔桿頂點(diǎn)等效位移。設(shè)定0°方向?yàn)楣跔蠲嫦蛴曳较?見圖7～8)，我們定義股骨內(nèi)外髁和股骨大粗隆最后緣的三個(gè)點(diǎn)所構(gòu)成的平面為冠狀面，垂直于冠狀面且經(jīng)過股骨機(jī)械軸的平面為矢狀面。

利用Solidworks軟件建立髓腔桿在股骨內(nèi)活動(dòng)范圍示意圖(見圖9～10)，其中A為髓腔桿尖端在冠狀面最大擺動(dòng)距離，B為矢狀面最大擺動(dòng)距離，P為髓腔桿插入髓腔內(nèi)長(zhǎng)度。分別計(jì)算髓腔桿在矢狀面和冠狀面上的最大擺動(dòng)范圍(見圖11)。Sin(α/2)=(A/2)/P，所以冠狀面擺動(dòng)角α=2×arcsin(A/2)/P，同理矢狀面擺動(dòng)角β=2×arcsin(B/2)/P。

圖7 劃分網(wǎng)格后將模型導(dǎo)入Ansys軟件 圖8 獲取髓腔桿頂點(diǎn)等效位移

圖9 30 cm髓腔桿擺動(dòng)范圍圖 圖10 20 cm髓腔桿擺動(dòng)范圍圖 圖11 最大擺動(dòng)距離測(cè)量示意圖

2 結(jié) 果

測(cè)量30 cm髓腔桿在髓腔矢狀面擺動(dòng)最大范圍(1.10±0.72)°，冠狀面擺動(dòng)最大范圍(0.85±0.55)°，3例30 cm髓腔桿無(wú)法完全插入股骨髓腔的情況。20 cm髓腔桿在股骨髓腔矢狀面擺動(dòng)最大范圍(4.36±0.95)°，冠狀面擺動(dòng)最大范圍(3.77±1.00)°。同一種髓腔桿在矢狀面擺動(dòng)的最大范圍均大于冠狀面的擺動(dòng)范圍，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，見表1)。

表1 兩種髓腔桿在髓腔內(nèi)矢狀面和冠狀面上的最大擺動(dòng)角度

在矢狀面和冠狀面上，30 cm髓腔桿擺動(dòng)的最大范圍均明顯小于20 cm髓腔桿，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。而且30 cm髓腔桿和20 cm髓腔桿在兩個(gè)平面上的擺動(dòng)范圍具有顯著相關(guān)性(見表2)。

表2 髓腔桿擺動(dòng)角度與桿長(zhǎng)、擺動(dòng)平面的相關(guān)性分析

3 討 論

牛津膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)MP操作系統(tǒng)使用髓內(nèi)定位的方法植入股骨假體，其髓內(nèi)定位精確性影響著股骨假體植入位置。與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)不同的是，OUKA開髓點(diǎn)更偏內(nèi)側(cè)，在髁間窩內(nèi)側(cè)壁沿長(zhǎng)線上，距股骨髁間窩前內(nèi)側(cè)1 cm處，使用的髓腔桿更細(xì)。MP系統(tǒng)提供了兩種長(zhǎng)度的髓腔桿：20 cm、30 cm。股骨假體縱軸需平行于股骨力線軸，而股骨髓腔中線與力線軸呈7°夾角。因此，髓腔桿定位精度直接影響著股骨假體的植入位置。Kang等[8]使用有限元分析的方法對(duì)OUKA術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)股骨假體內(nèi)外翻會(huì)對(duì)襯墊磨損、外側(cè)間室退變、內(nèi)側(cè)副韌帶張力產(chǎn)生影響，當(dāng)內(nèi)外翻超過9°時(shí)影響尤為明顯。

本研究模擬了OUKA術(shù)中置入股骨髓腔定位桿的操作，建立了髓腔桿在股骨髓腔內(nèi)擺動(dòng)的有限元模型。通過該模型測(cè)量了20 cm和30 cm兩種長(zhǎng)度髓腔桿在髓腔內(nèi)的擺動(dòng)范圍。蔡俊豐等[9]報(bào)道了使用Mimics建立股骨三維模型，并手動(dòng)測(cè)量髓腔桿擺動(dòng)范圍，結(jié)果顯示30 cm髓腔桿擺動(dòng)角度范圍冠狀位(0.50±0.27)°，矢狀位(0.86±0.39)°，該結(jié)果與我們的測(cè)量結(jié)果接近。由于股骨髓腔形狀不規(guī)則，且存在前弓，所以基于目視手動(dòng)測(cè)量的方法無(wú)法精確找到髓腔桿在冠狀面和矢狀面上的最大擺動(dòng)范圍。我們使用有限元分析的方法，通過加力使髓腔桿在髓腔內(nèi)任一位置向18個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，碰觸到髓腔內(nèi)壁后停止并獲得桿尖端的位移，由此可以近似繪出髓腔桿在髓腔內(nèi)的活動(dòng)范圍圖，該范圍在矢狀面的投影即為髓腔桿在矢狀面上的最大擺動(dòng)范圍，在冠狀面上的投影為髓腔桿在冠狀面上的最大擺動(dòng)范圍(見圖12～13)。該方法可以更為精確地獲得髓腔桿在兩個(gè)方向上的最大擺動(dòng)角度。

我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，20 cm髓腔桿插入股骨后其尖端均無(wú)法達(dá)到股骨峽部，而30 cm髓腔桿尖端則明顯超過股骨峽部。Su等[10]建立了426例股骨三維模型，顯示股骨存在向前外側(cè)方向的彎曲，這種股骨前外弓限制了30 cm髓腔桿向股骨后內(nèi)方向的擺動(dòng)，故其在股骨矢狀面的擺動(dòng)范圍明顯小于股骨峽部髓腔前后徑，對(duì)于某些股骨前弓較大、峽部髓腔較窄的患者，存在髓腔桿無(wú)法完全插入髓腔的情況。但在術(shù)中并未發(fā)現(xiàn)髓腔桿無(wú)法完全插入的情況，推測(cè)可能是因?yàn)樗枨粭U直徑較細(xì)，推進(jìn)中產(chǎn)生輕度形變從而適應(yīng)髓腔形態(tài)。Yang等[11]使用術(shù)中透視的方法對(duì)插入股骨的髓腔桿進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)12例(占總研究病例的24%)患者插入股骨的髓腔桿存在大于1°的成角形變。這也印證了我們的觀點(diǎn)。對(duì)于這部分患者，30 cm髓腔桿便不太適用，術(shù)中可能發(fā)生髓腔桿穿破皮質(zhì)造成骨折的風(fēng)險(xiǎn)。我們對(duì)30 cm髓腔桿和20 cm髓腔桿擺動(dòng)角度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)在同一平面上，兩種髓腔桿的擺動(dòng)范圍是明顯相關(guān)的，當(dāng)30 cm髓腔桿擺動(dòng)較小時(shí)，20 cm髓腔桿的擺動(dòng)范圍也較小。對(duì)于30 cm髓腔桿無(wú)法完全插入的患者，可以改用20 cm髓腔桿進(jìn)行手術(shù)。

圖12 30 cm髓腔桿擺動(dòng)范圍模式圖 圖13 20 cm髓腔桿擺動(dòng)范圍模式圖

本研究測(cè)量結(jié)果顯示20 cm髓腔桿在髓腔內(nèi)的擺動(dòng)角度明顯大于30 cm髓腔桿，這與預(yù)期結(jié)果是一致的，也和文獻(xiàn)的結(jié)果一致[12]。如前所述，20 cm髓腔桿插入股骨后其尖端均無(wú)法達(dá)到股骨峽部，而30 cm髓腔桿尖端則明顯超過股骨峽部，同時(shí)20 cm桿在髓腔內(nèi)擺動(dòng)時(shí)不受股骨前外弓的影響，所以其尖端活動(dòng)范圍接近髓腔內(nèi)徑，這也使其擺動(dòng)范圍明顯大于30 cm桿，這會(huì)導(dǎo)致部分髓腔寬的患者其股骨假體植入位置偏差過大。就像前文所說，股骨前弓和峽部直徑可能會(huì)對(duì)髓腔桿的擺動(dòng)范圍產(chǎn)生明確影響，但是我們目前的研究無(wú)法證實(shí)，希望進(jìn)一步研究加以證明。

本研究建立了髓腔桿在髓腔內(nèi)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的有限元模型，并證明使用30 cm髓腔桿所產(chǎn)生的擺動(dòng)誤差明顯小于20 cm髓腔桿，其定位更加精確，但對(duì)于身材矮小的患者可能出現(xiàn)30 cm髓腔桿無(wú)法完全插入或者插入后髓腔桿變彎，對(duì)于這類患者我們推薦使用20 cm髓腔桿。